1.本发明涉及浊度含沙量测量技术领域，尤其涉及一种基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统及控制方法。
背景技术：2.水资源巡测是国民经济建设所必需的基础工作，随着国民经济的快速发展，水资源供需矛盾更加突出，这就要求水文工作以更优质的水资源信息支撑水资源的可持续利用，其中水体浊度和含沙量是很重要的两项指标。因此，基于市场的需求和工程项目的需要，急需一套能够实时测量水体浊度和含沙量的测量系统，用于水质的准确监测。
技术实现要素：3.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统及控制方法，应用于河流渠道等流域水资源与水环境监测，其操作便捷，可进行多通道测量，测量准确度高，数据存储查看便捷，可实现远程控制与传输。
4.本发明提供的一种基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统，包括：
5.水面参数显示单元，包括微处理器及分别与所述微处理器相连接的硬件复位模块、实时时钟模块、参数显示模块、休眠唤醒模块、数据下载模块、数据存储模块和串口通信模块；
6.水下参数采集单元，通过隔离保护单元与所述水面参数显示单元相连接，用于采集水下浊度的相关信息；
7.隔离保护单元，包括电源隔离电路和信号隔离电路；
8.电源供电单元，分别与所述水面参数显示单元和水下参数采集单元相连接；
9.温度采集单元，通过所述隔离保护单元与水面参数显示单元相连接；
10.电压采集单元，与所述水下参数采集单元相连接，用于采集所述水下参数采集单元的工作电压，所述电压采集单元通过所述隔离保护单元与水面参数显示单元相连接；
11.人机交互单元，与所述水面参数显示单元相连接；
12.通信单元，与所述水面参数显示单元相连接；
13.gps模块，与所述水面参数显示单元相连接。
14.进一步的，所述水下参数采集单元由若干相互独立的浊度传感器组成。
15.进一步的，所述电源供电单元包括：
16.锂电池，依次通过整流滤波电路、电压转换电路、低功耗处理电路、过载过流保护电路和反接保护电路分别与水面参数显示单元和水下参数采集单元相连接；
17.充电模块，与所述锂电池相连接。
18.进一步的，所述人机交互单元包括：
19.语音交互模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接；
20.蓝牙交互模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述水面参数显
示单元与移动终端之间的通信连接。
21.进一步的，所述通信单元包括：
22.rs485通信模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述水面参数显示单元与计算机之间的通信连接；
23.nb-iot通信模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述水面参数显示单元与远程服务器之间的通信连接。
24.另，本发明还提供了一种基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统的控制方法，包括如下步骤：
25.s11：初始设置，单片机程序初始化，设置采样时间间隔ts，设置通信串口参数，配置浊度传感器系数a、b、c值和循环神经网络参数v、 u和w；
26.s12：数据采集，选择测量通道，每ts采集一组温度值和一组浊度模拟量，所述浊度模拟量为浊度传感器采集的光电信号，采集测量点经纬度及测量时间；
27.s13：数据处理，按采样顺序，取当前温度值作为有效温度值，取后 n组浊度模拟量进行a/d转换后，求均值获得电流信号值；
28.s14：数据计算，通过曲线拟合方程ym＝a(xm)2+b(xm)+c计算得出浊度值；其中：m为正整数，xm为第m次求得的电流信号值，ym为xm对应的浊度值；根据有效温度值和温度对照数组tep[n]＝{t1,t2,
···
,tn}，对浊度值进行修正，获得修正浊度值ym；
[0029]
ym＝ym+temperture_scale*(temperture-ti)/(t
i+1-ti)，ti《temperture≤t
i+1
；
[0030]
其中，n为大于1的自然数，tn为第n个对照温度值，且tn》t
n-1
， i＝{1,2,
···
,n-1}，temperture_scale为温度修正系数，temperture为有效温度值；
[0031]
依据修正浊度值ym，利用循环神经网络系统计算出含沙量值mm；
[0032]mm
＝g(vsm)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0033]
sm＝f(uym+ws
m-1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0034]
其中，s0＝0；
[0035]
式(1)是循环神经网络输出层的计算公式，所述输出层是一个全连接层，也就是它的每个节点都和隐藏层的每个节点相连，v是输出层的权重矩阵，g是输出层激活函数；
[0036]
式(2)是循环神经网络隐藏层的计算公式，所述隐藏层是一个循环层，u是输入层的权重矩阵，w是循环层的权重矩阵，f是循环层激活函数；
[0037]
s15：数据显示，以曲线的形式实时显示修正浊度值和含沙量值；
[0038]
s16：数据存储，按照数据采集顺序，按电流信号值-修正浊度值-含沙量值-经纬度-测量时间为一组数据，进行存储；
[0039]
s17：数据传输，将存储数据分别通过rs485通信模块发送至本地计算机，通过nb-iot通信模块发送给管理中心服务器，通过蓝牙发至移动终端。
[0040]
进一步的，所述通信串口参数包括语音交互串口参数、蓝牙交互串口参数、rs485通信串口参数和nb-iot通信串口参数。
[0041]
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：
[0042]
本发明通过水下参数采集单元获取n组浊度模拟量，n组浊度模拟量经a/d转换后，求均值获得电流信号值，根据曲线拟合方程 ym＝a(xm)2+b(xm)+c计算得出浊度值，再通过温度补偿修正获取修正浊度值，依据修正浊度值，利用循环神经网络计算出含沙量值。水下
参数采集单元与水面参数显示单元之间的数据传输，经过了电源隔离电路和信号隔离电路的保护，提高了系统的安全性。本发明以单片机为核心，实现了自动化测量，检测准确，确保用户准确了解水质情况。
[0043]
本发明的语音交互模块具有语音识别和播报功能，微处理器在识别语音成果后，可自行进行对应操作；本发明具有蓝牙通信功能，打开蓝牙可连接至手机上，配合手机app进行数据的接收和查看；本发明具有 rs485通信功能，用户可采用有线的方式连接至计算机，配合本地软件进行数据接收和查看；本发明具备nb-iot无线通信功能，配置好对应的ip和端口后，可连接至管理系统的服务器，便于进行远程的数据查看和接收。
[0044]
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
[0045]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0046]
图1为基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统的结构框图；
[0047]
图2为基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统的控制方法的流程图；
[0048]
图3为循环神经网络示意图。
[0049]
图中标号：1、水面参数显示单元；2、水下参数采集单元；3、隔离保护单元；4、电源供电单元；5、温度采集单元；6、电压采集单元；7、人机交互单元；8、通信单元；9、gps模块；
[0050]
11、微处理器；12、硬件复位模块；13、实时时钟模块；14、参数显示模块；15、休眠唤醒模块；16、数据下载模块；17、数据存储模块； 18、串口通信模块；
[0051]
21、浊度传感器；
[0052]
31、电源隔离电路；32、信号隔离电路；
[0053]
41、锂电池；42、整流滤波电路；43、电压转换电路；44、低功耗处理电路；45、过载过流保护电路；46、反接保护电路；47、充电模块；
[0054]
71、语音交互模块；72、蓝牙交互模块；
[0055]
81、rs485通信模块；82、nb-iot通信模块。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0057]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0058]
请参考图1，本发明的实施例提供了一种循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统，包括：
[0059]
水面参数显示单元1，包括微处理器11及分别与微处理器11相连接的硬件复位模块12、实时时钟模块13、参数显示模块14、休眠唤醒模块15、数据下载模块16、数据存储模块
17和串口通信模块18；
[0060]
水下参数采集单元2，通过隔离保护单元3与水面参数显示单元1 相连接，用于采集水下浊度的相关信息；
[0061]
隔离保护单元3，包括电源隔离电路31和信号隔离电路32；
[0062]
电源供电单元4，分别与水面参数显示单元1和水下参数采集单元2 相连接；
[0063]
温度采集单元5，通过隔离保护单元3与水面参数显示单元1相连接；
[0064]
电压采集单元6，与水下参数采集单元2相连接，用于采集水下参数采集单元2的工作电压，电压采集单元6通过隔离保护单元3与水面参数显示单元1相连接；
[0065]
人机交互单元7，与水面参数显示单元1相连接；
[0066]
通信单元8，与水面参数显示单元1相连接；
[0067]
gps模块9，与水面参数显示单元1相连接。
[0068]
在本实施例中，水面参数显示单元1的微处理器11内配置有循环神经网络，通过水下参数采集单元2获取水下浊度模拟量，将浊度模拟量转换成电流信号值，再经电源隔离电路31和信号隔离电路32传输至水面参数显示单元1进行数据计算。根据曲线拟合方程y＝ax2+bx+c计算得出浊度值，再通过温度补偿修正获取修正浊度值，依据修正浊度值，利用循环神经网络计算出含沙量值。
[0069]
修正浊度值和含沙量值以曲线的形式通过参数显示模块14实时显示，参数显示模块14优选触摸屏。同时进行数据存储与数据传输，将电流信号值-修正浊度值-含沙量值-经纬度-测量时间作为一组数据进行存储；通过通信单元8完成数据的传输。
[0070]
本发明以单片机为核心，实现了自动化测量。操作便捷，检测准确。数据存储查看便捷，可实现远程控制与传输，确保用户准确的了解水质情况。
[0071]
在一优选实施例中，如图1所示，水下参数采集单元2由若干相互独立的浊度传感器21组成，通过多个相互独立的浊度传感器21实现对水体浊度信息的采集。
[0072]
在一优选实施例中，如图1所示，电源供电单元4包括：
[0073]
锂电池41，依次通过整流滤波电路42、电压转换电路43、低功耗处理电路44、过载过流保护电路45和反接保护电路46分别与水面参数显示单元1和水下参数采集单元2相连接；
[0074]
充电模块47，与锂电池41相连接。
[0075]
在本实施例中，系统采用锂电池41进行供电，通过多种保护电路确保了系统的供电安全，锂电池41采用充电模块47进行充电。
[0076]
在一优选实施例中，如图1所示，人机交互单元7包括：
[0077]
语音交互模块71，通过串口通信模块18与微处理器11相连接；
[0078]
蓝牙交互模块72，通过串口通信模块18与微处理器11相连接，用于水面参数显示单元1与移动终端之间的通信连接。
[0079]
在本实施例中，通过语音交互模块71实现了测量系统的语音控制。通过蓝牙交互模块72实现了通过移动终端的操作控制与信息查看。提高了系统操作的便捷性。
[0080]
在一优选实施例中，如图1所示，通信单元8包括：
[0081]
rs485通信模块81，通过串口通信模块18与微处理器11相连接，用于水面参数显示单元1与计算机之间的通信连接；
[0082]
nb-iot通信模块82，通过串口通信模块18与微处理器11相连接，用于水面参数显示单元1与远程服务器之间的通信连接。
[0083]
另，参考图2和图3，本发明的实施例还提供了一种基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统的控制方法，包括如下步骤：
[0084]
s11：初始设置，单片机程序初始化，设置采样时间间隔ts，设置通信串口参数，配置浊度传感器系数a、b、c值和循环神经网络参数v、 u和w；通信串口参数包括语音交互串口参数、蓝牙交互串口参数、 rs485通信串口参数和nb-iot通信串口参数；
[0085]
s12：数据采集，选择测量通道，每ts采集一组温度值和一组浊度模拟量，浊度模拟量为浊度传感器采集的光电信号，采集测量点经纬度及测量时间；
[0086]
s13：数据处理，按采样顺序，取当前温度值作为有效温度值，取后 n组浊度模拟量进行a/d转换后，求均值获得电流信号值；
[0087]
s14：数据计算，通过曲线拟合方程ym＝a(xm)2+b(xm)+c计算得出浊度值；其中：m为正整数，xm为第m次所测电流信号值，ym为xm对应的浊度值；根据有效温度值和温度对照数组tep[n]＝{t1,t2,
···
,tn}，对浊度值进行修正，获得修正浊度值ym；
[0088]
ym＝ym+temperture_scale*(temperture-ti)/(t
i+1-ti)，ti《temperture≤t
i+1
；
[0089]
其中，n为大于1的自然数，tn为第n个对照温度值，且tn》t
n-1
， i＝{1,2,
···
,n-1}，temperture_scale为温度修正系数，temperture为有效温度值；
[0090]
曲线拟合方程ym＝a(xm)2+b(xm)+c为在实验室标准环境下，通过率定测试得到的浊度值与电流信号值之间的函数关系；
[0091]
依据修正浊度值ym，利用循环神经网络系统计算出含沙量值mm；
[0092]mm
＝g(vsm)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0093]
sm＝f(uym+ws
m-1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0094]
其中，s0＝0；
[0095]
式(1)是循环神经网络输出层的计算公式，输出层是一个全连接层，也就是它的每个节点都和隐藏层的每个节点相连，v是输出层的权重矩阵，g是输出层激活函数；
[0096]
式(2)是循环神经网络隐藏层的计算公式，隐藏层是一个循环层，具有8个神经元，输出层的每个节点都和这8个节点相连，u是输入层的权重矩阵，w是循环层的权重矩阵，f是循环层激活函数；
[0097]
f和g选用tanh函数，也就是tanh(x)＝(e
x-e-x
)/(e
x
+e-x
)，其中e是自然对数；
[0098]
s15：数据显示，以曲线的形式实时显示修正浊度值和含沙量值；
[0099]
s16：数据存储，按照数据采集顺序，按电流信号值-修正浊度值-含沙量值-经纬度-测量时间为一组数据，进行存储；
[0100]
s17：数据传输，将存储数据分别通过rs485通信模块发送至本地计算机，通过nb-iot通信模块发送给管理中心服务器，通过蓝牙发至移动终端；
[0101]
在一些实施例中，以温度对照数组tep[9]＝{0℃，5℃，10℃，15℃， 20℃，25℃，30℃，35℃，40℃}为例，当测量获取的实际温度值为18℃时，修正浊度值ym＝ym+temperture_scale*(18-15)/(20-15)，15《18≤20。
[0102]
不同的沙样具有不同的循环神经网络参数，样表见表1所示。黑泥的循环神经网络参数表见表2所示。
[0103]
表1：循环神经网络参数表(样表)
[0104]
序号参数格式1u[u1,u2,
……
，u8]’2v[v1,v2,
……
，v8]3w[w1,w2,
……
，w8]’[0105]
表2：循环神经网络参数表(黑泥，初始参数)
[0106][0107]
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0108]
以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统，其特征在于，包括：水面参数显示单元，包括微处理器及分别与所述微处理器相连接的硬件复位模块、实时时钟模块、参数显示模块、休眠唤醒模块、数据下载模块、数据存储模块和串口通信模块；水下参数采集单元，通过隔离保护单元与所述水面参数显示单元相连接，用于采集水下浊度的相关信息；隔离保护单元，包括电源隔离电路和信号隔离电路；电源供电单元，分别与所述水面参数显示单元和水下参数采集单元相连接；温度采集单元，通过所述隔离保护单元与水面参数显示单元相连接；电压采集单元，与所述水下参数采集单元相连接，用于采集所述水下参数采集单元的工作电压，所述电压采集单元通过所述隔离保护单元与水面参数显示单元相连接；人机交互单元，与所述水面参数显示单元相连接；通信单元，与所述水面参数显示单元相连接；gps模块，与所述水面参数显示单元相连接。2.根据权利要求1所述的基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统，其特征在于，所述水下参数采集单元由若干相互独立的浊度传感器组成。3.根据权利要求1所述的基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统，其特征在于，所述电源供电单元包括：锂电池，依次通过整流滤波电路、电压转换电路、低功耗处理电路、过载过流保护电路和反接保护电路分别与水面参数显示单元和水下参数采集单元相连接；充电模块，与所述锂电池相连接。4.根据权利要求1所述的基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统，其特征在于，所述人机交互单元包括：语音交互模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接；蓝牙交互模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述水面参数显示单元与移动终端之间的通信连接。5.根据权利要求1所述的基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统，其特征在于，所述通信单元包括：rs485通信模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述水面参数显示单元与计算机之间的通信连接；nb-iot通信模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述水面参数显示单元与远程服务器之间的通信连接。6.一种基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s11：初始设置，单片机程序初始化，设置采样时间间隔ts，设置通信串口参数，配置浊度传感器系数a、b、c值和循环神经网络参数v、u和w；s12：数据采集，选择测量通道，每ts采集一组温度值和一组浊度模拟量，所述浊度模拟量为浊度传感器采集的光电信号，采集测量点经纬度及测量时间；s13：数据处理，按采样顺序，取当前温度值作为有效温度值，取后n组浊度模拟量进行a/d转换后，求均值获得电流信号值；
s14：数据计算，通过曲线拟合方程y
m
＝a(x
m
)2+b(x
m
)+c计算得出浊度值；其中：m为正整数，x
m
为第m次求得的电流信号值，y
m
为x
m
对应的浊度值；根据有效温度值和温度对照数组tep[n]＝{t1,t2,
···
,t
n
}，对浊度值进行修正，获得修正浊度值y
m
；y
m
＝y
m
+temperture_scale*(temperture-t
i
)/(t
i+1-t
i
)，t
i
<temperture≤t
i+1
；其中，n为大于1的自然数，t
n
为第n个对照温度值，且t
n
>t
n-1
，i＝{1,2,
···
,n-1}，temperture_scale为温度修正系数，temperture为有效温度值；依据修正浊度值y
m
，利用循环神经网络系统计算出含沙量值m
m
；m
m
＝g(vs
m
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)s
m
＝f(uy
m
+ws
m-1
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，s0＝0；式(1)是循环神经网络输出层的计算公式，所述输出层是一个全连接层，也就是它的每个节点都和隐藏层的每个节点相连，v是输出层的权重矩阵，g是输出层激活函数；式(2)是循环神经网络隐藏层的计算公式，所述隐藏层是一个循环层，u是输入层的权重矩阵，w是循环层的权重矩阵，f是循环层激活函数；s15：数据显示，以曲线的形式实时显示修正浊度值和含沙量值；s16：数据存储，按照数据采集顺序，按电流信号值-修正浊度值-含沙量值-经纬度-测量时间为一组数据，进行存储；s17：数据传输，将存储数据分别通过rs485通信模块发送至本地计算机，通过nb-iot通信模块发送给管理中心服务器，通过蓝牙发至移动终端。7.根据权利要求6所述的基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统的控制方法，其特征在于，所述通信串口参数包括语音交互串口参数、蓝牙交互串口参数、rs485通信串口参数和nb-iot通信串口参数。
技术总结本发明公开了一种基于循环神经网络的嵌入式含沙量测量系统及控制方法，测量系统包括：水面参数显示单元；水下参数采集单元；隔离保护单元；电源供电单元；温度采集单元；电压采集单元；人机交互单元；通信单元和GPS模块。本发明应用于河流渠道等流域水资源与水环境监测，其操作便捷，可进行多通道测量，测量准确度高，数据存储查看便捷，可实现远程控制与数据传输。传输。传输。
技术研发人员：李先瑞 许斌 张华庆 李绍辉 栗克国 倪文军 周振杰 刘锟 刘培杰
受保护的技术使用者：交通运输部天津水运工程科学研究所
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
